轴承组件用控流芯阀材料性能研究

孙小波，尚晓辉，李媛媛，楚婷婷，闫玉杰

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039； 2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.高性能轴承数字化设计国家国际科技合作基地，河南 洛阳 471039)

航天器在轨失效统计分析表明[1]，1980—2005 年的156 次航天器失效中， 32%的失效是姿态和轨道控制系统(Attitude and Orbit Control System，AOCS)的故障造成的，而超过37%的AOCS故障由陀螺仪、动量轮、反作用轮、控制力矩陀螺等空间部件导致，其中88%的空间部件在轨寿命仅为0～8 年，而现在的动量轮等高速空间系统的寿命要求超过20年，甚至30年[2]。

航天器的故障多源自轴承润滑失效，太空环境中高真空和低重力等恶劣条件造成润滑油的挥发、爬移和化学反应，缩短了航天长寿命轴承的理论润滑周期[3-4]，因此需要有效的辅助润滑系统来提高航天空间部件的使用寿命。文献[5]研究表明，润滑剂流动速率为0.004 8 mg/d就能保证球轴承中连续的弹流润滑(EHD)膜；然而，在空间轴承系统中，供油速率0.004 8 mg/d是一个很低且在实际中很难实现的数值。目前，正在努力开发润滑剂的供油系统，该系统的流动速率可能小于0.24 mg/d[5]。文献[6]在空间飞轮轴承中使用浸油的棉芯，实现了润滑油的自供给。文献[7]设计了一种离心润滑装置，该装置在铝制储油腔外部打出直径为150 μm的孔道，可在0～80 ℃，3 000～9 000 r/min条件下实现最低0.096 mg/d的供油速率。文献[8]在储油器中使用多层夹布胶木作为节流芯阀，通过改变节流芯阀截面积可实现0.04～0.08 mg/d的供油速率；但是，夹布胶木芯阀材料的供油速率同截面内的棉线数量、连续性及其取向有关，在质量控制上难以保持一致性，而微米级的孔道又很难精准制造[9]。

相较于以上材料的限制，多孔聚酰亚胺是优异的多孔材料，广泛应用于长寿命轴承组件[10-11]。本文通过单醚酐型聚酰亚胺与均苯型聚酰亚胺共混，以限位热压烧结的方式制备了轴承组件用控流芯阀材料，对其力学性能、微孔性能以及供油性能进行研究，并对其寿命进行了预测。

1 试验

1.1 材料制备

采用限位热压烧结工艺制备控流芯阀材料[12]，孔隙率不大于10%。所用原材料单醚酐型聚酰亚胺模塑粉牌号为YS-20，购自上海合成树脂研究所；均苯型聚酰亚胺模塑粉牌号为P84NT2，购自赢创工业集团。

1.2 测试与分析方法

采用EVO-18型扫描电子显微镜(SEM)进行形貌测试；采用CMT6503型微机控制电子万能试验机，按照GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》测试材料的拉伸强度，拉伸速度为5 mm/min；采用V-SD型邵氏硬度计，按照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度)》测定材料硬度；采用AutoPore IV 9500型压汞仪，按照GB/T 21650.1—2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度 第1部分：压汞法》测试材料的孔隙率、孔直径及其分布。

供油速率是控流芯阀材料的关键指标。试样经清洗、干燥处理后，在供油速率测试装置中进行试验。在离心作用下，供油器腔体内的润滑油通过芯阀材料连续不断的渗出到延时环内，供油器质量降低，每隔一段时间检测一次供油器质量，取3次供油速率的平均值。供油速率为

式中：G0为供油前质量，mg；Gt为供油t时间后的质量，mg；t为供油总时间，d。

芯阀材料稳定供油时，可认为供油速率稳定不变，此时运行寿命只取决于搭载的润滑油质量，因此连续有效的润滑时间即为预测的运行寿命，即

式中：T为运行寿命，年；m为润滑油的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 微孔结构和性能

芯阀材料在扫描电镜下的形貌如图1所示：图1a芯阀材料断面结构均匀；图1b断面中一部分呈颗粒状，一部分呈黏结状，这是因为均苯型聚酰亚胺分子结构刚性强，玻璃化转变温度达380 ℃，高温下不熔，而单醚酐型聚酰亚胺玻璃化转变温度为270 ℃，易成型，两者混合后，在烧结温度340 ℃时，单醚酐型聚酰亚胺在高压下进入高弹态，颗粒塑化起到黏结剂的功效，而均苯型聚酰亚胺仍处于玻璃态，高压下只会发生塑性变形，由此可形成更小孔径的微孔结构；图1c为材料内部的多孔结构，呈“蜂窝”状，可形成均匀有效的纳米级孔道，孔道之间相互贯通，从而实现润滑油的运输。

(a)500倍

采用上述成型方法，通过工艺参数调整，制备了3种不同孔隙特性的控流芯阀坯料，如图2所示。可以看出，材料的孔径随着孔隙率的减小呈正相关线性减小，反映了该材料的微孔可调性好。作为控流芯阀材料，在不改变材料及横截面积时可通过调整工艺参数控制微孔尺寸，从而控制系统供油速率。

图2 3种试样的孔隙特性

3种试样的孔径分布如图3所示：3种试样的孔径80%以上分布在0.01～0.50 μm，说明该控流芯阀材料主要由纳米级的小孔组成。试样a在孔径为0.20～0.50 μm的区间内占比为50.2%；试样b在孔径为0.10～0.20 μm的区间内占比为59.1%；试样c在孔径为0.01～0.10 μm的区间内占比为70.4%：说明3种试样的孔径分布集中，区别明显，呈梯度减小。由于控流芯阀的作用是实现润滑油的长效微供给，而该多孔聚酰亚胺复合材料具有孔径集中可调、孔径小且区分度大的特点和优势，因而可根据寿命要求设计控流芯阀材料的孔隙参数，实现系统稳定缓慢的供油速率。

图3 试样的孔径分布图

2.2 力学性能

控流芯阀是轴承组件的关键部分，可用于动量轮、陀螺马达、控制力矩陀螺轴承等空间航天器，动量轮结构及轴承组件如图4所示[13]。控流芯阀坯料需要加工为尺寸精密的螺纹型组件，材料的机加工性能直接影响成品的尺寸精准度和结构完整性，因此可通过拉伸强度和硬度评价其加工性能。控流芯阀材料与聚酰亚胺材料Meldin9000的硬度及拉伸强度对比见表1，控流芯阀材料制成的3个试样硬度均在80 HD以上，拉伸强度均在20 MPa以上。硬度和拉伸强度达到与世界上最先进的多孔聚酰亚胺材料相当的水平，在实际机械加工过程中表现出较好的特性，成品合格率较高。

1—金属壳；2—轴承组件；3—飞轮；4—电动机。

表1 控流芯阀材料与Meldin9000硬度及拉伸强度对比

2.3 供油速率

试验在供油速率测试装置中进行，该装置由外隔离圈、油腔内套、控流芯阀和延时甩油环组成，其结构示意图如图5所示。在试样运转初期，供油器腔体内的润滑油进入控流芯阀，之后延时甩油环吸收控流芯阀运输的润滑油，待其达到动态饱和后向轴承供油。分别将供油器试样装入供油速率测试装置，供油速率测试装置提供真空环境，并驱动供油器在额定转速下运转。

图5 供油速率测试装置示意图

试样的供油速率和供油过程结果如图6、图7所示：甩油初期，3个试样的供油速率均变化较大，此时间段控流芯阀内部孔道由不含油状态变为含油状态，造成了短期趋稳，即延时饱和区，供油速率呈先增大后减小的趋势。这是因为润滑油在离心力和控流芯阀毛细吸引力作用下，从高密度区域(油腔内部)通过控流芯阀渗透到低密度区域(油腔外部)的过程中，润滑油需要一定的时间在芯阀材料的径向和轴向完全浸润并通过，因此供油速率会有缓慢增加的趋势；而且，图3显示孔径1 μm附近3种试样均有极少量的大孔存在，这种不均匀的孔径分布也会造成材料内部毛细作用力存在差异，从而导致润滑油在芯阀材料内部各阶段的运输速率不稳定；另外，润滑油会将气体分子带入供油腔内，而供油腔是密封的，工作环境却是真空的，因此有相当一段时间供油腔内与轴承环境存在压力差，也会导致出油速率增加。

图6 供油速率随时间变化

图7 试样供油过程

甩油13 d后，润滑油已经通过控流芯阀进入延时环，达到轴承润滑系统长期运转时的状态，即系统平衡区和供油润滑区。此时供油器内部气体分子已释放完，内外压力平衡、转速稳定，供油速率也达到稳定状态，试样a，b，c的供油速率分别为0.305，0.260，0.155 mg/d。稳定供油时，控流芯阀主要受到离心力和毛细作用力，而毛细作用力与微孔孔径成反比，孔径越大，毛细作用力越小，离心力不变的情况下，润滑油的出油速率将会增大。由图2、图6可知，3种试样孔径da>db>dc，则稳定供油时的速率va>vb>vc，表明供油器的实际供油速率与理论相符，供油速率受孔径大小影响。

2.4 寿命预估

供油器的供油量既不能过多，也不能过少，供油过多会造成轴承组件摩擦力矩增大且不稳定，发热严重；供油量少，会造成轴承润滑不充分，出现干摩擦，影响轴承组件的使用寿命。同时，供油器向轴承供油时间不能过早，否则会造成轴承内润滑油过多，影响轴承摩擦力矩；供油过晚则会引起轴承出现干摩擦而过早失效。根据以上芯阀材料的试验结果，暂定控流芯阀的供油速率指标为0.2～0.3 mg/d时，可实现供油器微量、连续、长效的运行。

以搭载2 g润滑油的供油器为基础，对芯阀材料的理论运行寿命进行预测，结果见表2，0.05～0.21 μm孔径的控流芯阀材料可达到18～27年的运行寿命。

表2 不同孔径芯阀材料的理论寿命预测

2.5 小结

综上可知，该芯阀材料可根据空间站或大型卫星等姿态控制系统的控制力矩陀螺(CMG)在轨寿命需求，组建不同供油速率的轴承组件，从而满足整体空间部件的运行寿命要求。

3 结束语

本文将单醚酐型聚酰亚胺和均苯型聚酰亚胺共混，通过限位热压的方式得到了3种孔径的轴承组件用控流芯阀材料。结果表明，该材料力学性能良好，能形成均匀有效的微孔结构；微孔结构影响供油速率，孔径越大，供油速率越大；在真空环境、额定转速下可实现0.2～0.3 mg/d的微供油速率，理论上可实现18～27年的运行寿命。